碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）復(fù)合材料多場耦合固化工藝與力學(xué)性能的計算框架

2025年6月13日，《Composite Structures》（IF=6.3）發(fā)表西北工業(yè)大學(xué)航天設(shè)計與增材制造國際聯(lián)合研究中心，西北工業(yè)大學(xué)陜西省空天結(jié)構(gòu)技術(shù)重點實驗室最新研究《Effects of multi-field coupled curing process on mechanical performance of CFRP composites under three-point bending》（多場耦合固化工藝對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）三點彎曲力學(xué)性能的影響）。

研究亮點

開發(fā)了一個用于研究固化殘余應(yīng)力（CRS）對復(fù)合材料力學(xué)性能影響的綜合計算框架。

考慮了諸如熱傳導(dǎo)、熱膨脹、模量、固化收縮以及固化動力學(xué)等與固化相關(guān)的性能，這些性能會對固化過程產(chǎn)生影響。

分析了固化殘余應(yīng)力（CRS）對復(fù)合材料損傷演化、失效模式和變形的影響。

探討了復(fù)合材料鋪層效應(yīng)，包括正交鋪層和單向鋪層的情況。

CFRP復(fù)合材料固化過程及力學(xué)測試的實驗流程

摘要 - 本文的研究背景是碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件，但其力學(xué)性能受固化過程中產(chǎn)生的固化誘導(dǎo)殘余應(yīng)力（CRS）影響； - 過去的方法忽略了CRS對復(fù)合材料損傷演化的影響，導(dǎo)致可靠性設(shè)計和性能預(yù)測不準(zhǔn)確； - 本文提出了一種綜合計算框架，通過多場耦合固化過程模型獲得CRS，并將其作為初始預(yù)應(yīng)力引入漸進(jìn)損傷模型，研究其對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響； - 結(jié)果表明，CRS顯著影響了交叉鋪層復(fù)合材料的損傷演化、失效模式和變形，驗證了該框架的有效性。

方法 - 建立了包括熱化學(xué)模型和熱力學(xué)模型在內(nèi)的多場耦合固化過程模型，考慮了固化依賴的模量、熱膨脹和固化收縮等屬性；

MRCC條件下復(fù)合材料的固化工藝結(jié)果。（a）溫度、固化度和固化速率，（b）樹脂基體的非機(jī)械應(yīng)變。

- 通過有限元軟件ABAQUS/Standard進(jìn)行熱化學(xué)和熱力學(xué)模擬，獲取溫度、固化度和CRS；

固化工藝后復(fù)合材料的CRS分布。

- 將CRS作為初始預(yù)應(yīng)力引入漸進(jìn)損傷模型，采用Hashin準(zhǔn)則和Cohesive Zone Model（CZM）描述層內(nèi)和層間損傷行為；

- 使用DIC和超景深顯微鏡實驗驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并研究了不同鋪層方式（交叉鋪層和單向鋪層）對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

仿真與實驗結(jié)果對比

結(jié)論:

- 該研究揭示了固化誘導(dǎo)殘余應(yīng)力（CRS）對CFRP復(fù)合材料在三點彎曲下的損傷演化、失效模式和變形有顯著影響；

考慮CRS影響的復(fù)合材料載荷-位移結(jié)果

- 創(chuàng)新點: 提出了一種綜合計算框架，將CRS作為初始預(yù)應(yīng)力引入漸進(jìn)損傷模型，全面考慮了固化過程對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響；、

CRS對復(fù)合材料損傷行為的影響

- 性能: 該框架能夠準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合材料的損傷行為，與實驗結(jié)果吻合良好，平均誤差分別為7.6%（CP-1），4.3%（CP-2）和5.8%（UD）；

- 研究涵蓋了從固化過程建模到實驗驗證的完整流程，涉及熱化學(xué)、熱力學(xué)和損傷模擬等多個方面

交叉鋪層復(fù)合材料的損傷行為